EP3063513A2 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer höhe einer fluidoberfläche in einem fluidbehälter - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer höhe einer fluidoberfläche in einem fluidbehälter

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EP3063513A2
EP3063513A2 EP15724646.3A EP15724646A EP3063513A2 EP 3063513 A2 EP3063513 A2 EP 3063513A2 EP 15724646 A EP15724646 A EP 15724646A EP 3063513 A2 EP3063513 A2 EP 3063513A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
sound
sound signals
signals
guide tube
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15724646.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Friedrich Pfeiffer
Claus Weber
Henning Grotevent
Wighard JÄGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
Publication of EP3063513A2 publication Critical patent/EP3063513A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a korrespondie ⁇ rendes method of determining a height of a Fluidoberfla ⁇ che in a fluid container.
  • an acoustic measuring device can be used in particular.
  • a sound transducer of the acoustic Messvor ⁇ direction can work both as a sound generator and as a sound ⁇ receiver.
  • For determining the amount of Fluido- ber Structure in the fluid container can by means of the baffle ⁇ coupler sound pulses in the fluid to be measured given the ⁇ . The sound pulses are reflected from a boundary surface of the Flu ⁇ ids to another medium. From the duration of the sound pulses can be drawn conclusions about the height of the fluid surface in the fluid container.
  • the object on which the invention is based is to provide a device for determining a height of a fluid surface in a fluid container, which enables a reliable determination of the height of the fluid surface, and a corresponding method for operating the device.
  • the invention is characterized by a device for determining a height of a fluid surface in a fluid container.
  • the device comprises a first sound transducer for transmitting and receiving first sound signals in the direction of the fluid surface and one second sound transducer for transmitting and receiving second sound signals.
  • the device comprises a reference element which has a predetermined distance to the second sound transducer ⁇ .
  • the reference element is arranged in a fluid space of the fluid container.
  • the device further comprises a first deflection element which is arranged in the fluid space for deflecting the second
  • the device to identify further comprises a control unit which is adapted, depending on the second sound signals, a sound speed within a fluid in the Flu ⁇ idraum.
  • the control unit is further to be ⁇ forms, depending on the first acoustic signals to detect the second acoustic signals and the speed of sound within the fluid, the height of the fluid surface over a bottom portion of the fluid container.
  • the first transducer radiates for this purpose directly in the direction of the fluid surface.
  • a determination of the Schallge ⁇ speed within the fluid allows precise determining a signal propagation time.
  • To even at low filling ⁇ stands the speed of sound within the fluid to ermit ⁇ stuffs, it has been found advantageous to send the second acoustic signals in a low height above the Bodenab ⁇ section of the fluid container and to receive.
  • the second transducer thus serves primarily to determine the Sound velocity within the fluid, and secondary to Gustand measurement.
  • the first deflecting element for example made of metal, glass or Kera ⁇ mik formed. Relatively container to the fluid in the fluid, the first deflection element in such a high akusti ⁇ specific impedance. Thus, a reliable deflection of the sound signals is possible. Furthermore, this allows for ⁇ play a robust arrangement of the deflecting element as a free standing component.
  • the first deflecting element is designed, for example, as a hollow body.
  • the first Umlenkele ⁇ element is filled with air, is comparable Ringert advantageously a thermally induced expansion of the first deflecting element. Furthermore thereby be reduced, for example, Mate ⁇ rial modifier and a weight of the device. Relative to the fluid in the fluid container, the first deflecting element thus also has a low acoustic impedance. Advantageously, this allows a reliable deflection of the sound signals.
  • the bottom portion of the fluid container has, for example, a bulge, with which the first deflecting gekop ⁇ pelt.
  • the bulge projects into the fluid space.
  • a second deflection element is arranged at a predetermined distance from the first deflection element in the fluid space for deflecting the second sound signals by a second predetermined angle in the direction of the first deflection element.
  • the two sound transducers are designed, for example, as piezo transducers.
  • An assembly of the two transducers is in ⁇ example complicated by their small size.
  • the arrangement of the two transducers to the bottom portion of the fluid container contributes advantageously to the fact that the assembly is accurate and efficient.
  • the bottom portion of the fluid container is formed in this context, for example, separately from side walls of the Fluidbenzol ⁇ age , which additionally contributes to a simple installation of the two transducers.
  • the second deflecting element is designed, for example, analogously to the first deflecting element.
  • a sound guide tube is arranged in the fluid space.
  • Sound guide tube is formed to guide the second deflected by the first deflecting second sound signals along sei ⁇ ner longitudinal axis in the direction of the fluid surface.
  • the sound guide tube allows reliable Determined ⁇ averaging the height of the fluid surface, substantially independent of a dynamics of the fluid surface. For example, by movement of the fluid container or by an inclined position of the fluid container, the fluid surface has a particularly pronounced dynamics, which lead without a sound guide to a scattering of the sound signals or otherwiseMitbe ⁇ liable determination of the height of the fluid surface.
  • be ⁇ carries a length of the sound guide tube between 30 mm and 100 mm.
  • the length of the sound guide ⁇ tube is between 50 mm and 70 mm.
  • the County ⁇ ge of the sound guide tube is 60 mm.
  • Such dimensioning of the sound tube made light ⁇ a reliable and precise determination of the height of the fluid surface.
  • the length of the Schalltre approximately ⁇ pipe is less than the height H of the fluid surface.
  • the length of the sound guide tube of at least 30 mm made ⁇ light the sound guide for low heights of Fluidoberflä ⁇ che, in which a precise determination of the height is particularly important ⁇ tig.
  • a mechanical load capacity of the sound guide tube made light ⁇ a reliable and precise determination of the height of the fluid surface.
  • Sound guiding tube ensured. Since the fluid example ⁇ as freezes at low temperatures the mechanical ⁇ withstand capability of the sound tube of special importance.
  • be ⁇ carries a diameter of the sound tube is between 5 mm and 15 mm.
  • the diameter of the sound ⁇ guide tube is 10 mm.
  • Such dimensioning of the sound tube made light ⁇ a reliable and precise determination of the height of the fluid surface.
  • the diameter of the sound guide tube of At least 5 mm allows reliable Signaleinkopp ⁇ ment, especially with regard to mounting tolerances, so that a signal attenuation is kept low.
  • a mechanical load capacity of the sound guide tube si ⁇ cher adopted by the diameter of the sound guide tube of at most 15 mm. In addition, such an effective sound guidance is ensured by the sound guide tube.
  • a ratio of the length of the sound guide tube to the diameter of the sound guide tube is between 20: 1 and 2: 1. In particular, the ratio is between 12: 1 and 4: 1. In particular, the ratio is 6: 1.
  • Such a dimensioning of the sound guide tube contributes in particular to the mechanical strength of the Schalltre ⁇ tion tube.
  • a reflector is arranged on an inner wall of the sound guide tube.
  • the reflector has a predetermined reference distance to the bottom portion.
  • the reflector allows a determination of a minimum height of the fluid surface.
  • the invention is characterized by a method for operating the device.
  • the height of the fluid surface above the bottom portion of the fluid container becomes dependent on a signal quality of the first
  • the signal quality of the first sound signals and the second sound signals is determined as a function of a respective signal dispersion of a plurality of temporally successive recorded sound signals.
  • the signal quality of the first sound signals and the second sound signals is determined as a function of a respective signal power of the recorded sound signals.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device for determining a height of a fluid surface in a fluid container
  • FIG. 2 is a flowchart for operating the device.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the device for
  • Figure 4 shows a third embodiment of the device for
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of the device for
  • Figure 6 shows a fifth embodiment of the device for
  • Figure 1 shows a fluid container 1 with a bottom portion 3 and a fluid space 5, which is filled with a fluid F.
  • the fluid F is, for example, be a flüssi ⁇ ges medium for reducing pollutants in exhaust gases, the preferential ⁇ as a reducing agent and / or a reducing agent precursor ⁇ , for example, a urea aqueous solution up.
  • a first sound transducer 10 and a second sound transducer 20 are arranged on the bottom portion 3 of the fluid container 1.
  • the height H is defined as a distance between the fluid surface 0 of the bottom portion 3, ge ⁇ measure in a neutral position of the fluid container 1, ie when there is no inclination of the fluid container 1 is present and the fluid surface 0 is parallel to the bottom portion. 3
  • the height H can also be characterized as a level of the fluid container 1 be ⁇ .
  • the two sound transducers 10, 20 are designed, for example, as piezo converters and coupled through a housing wall of the fluid container 1.
  • the Gezzau ⁇ sewandung is formed of a plastic such as beispielswei ⁇ ses from so-called high-density polyethylene (high density polyethylene, HDPE), so that the bottom portion 3 in the Ge ⁇ reheatwandung can be welded.
  • the two sound transducers 10, 20 glued, for example, with the housing ⁇ wall or pressed mechanically to this, possibly even with a further intermediate layer to compensate for unevenness or roughness.
  • the first sound transducer 10 comprises a transmitter, the first
  • Sound signals 12 in the direction of the fluid surface 0 emits.
  • the first transducer 10 is aligned so that a main radiation direction of the sound signals ⁇ 12 is directed perpendicular to the bottom portion 3 to the Fluido ⁇ berflache 0 transmitted first.
  • the fluid chamber 5 above the fluid F is filled with a further medium, such as air, so that the gesende ⁇ th first acoustic signals 12 ber Structure at a junction of the Fluido- 0 reflect on the air and reflected first acoustic signals 14 at first transducer 10 meet.
  • the reflected first sound signals 14 are recorded.
  • Example ⁇ example can be a single piezoelectric element used as a transmitter and receptions and seminars ⁇ ger.
  • the orientation of the first baffle ⁇ lers 10 also leads to a substantially vertical spread th the first reflected sound signals 14 to the bottom portion 3 of the fluid container 1.
  • the propagation of the first sound signals 12, 14 takes place directly, so that a power loss prevents obstacles and thus a determination of high levels of the fluid container 1 is made possible.
  • the second sound transducer 20 comprises a transmitter which emits second sound signals 22 and a receiver, the reflected second sound signals 24 receives.
  • a first reference element 30 and a second reference element 40 are arranged in the fluid space 5.
  • the two Refe rence ⁇ elements 30, 40 are preferably ge ⁇ forms of a material comprising a metal.
  • the two reference elements 30, 40 are formed from a piece of metal and coupled by H formulateverstemmte plastic tabs with the Bodenab ⁇ section 3 of the fluid container 1.
  • the two reference elements 30, 40 reflect at least part of the egg ⁇ NEN transmitted second sound signal 22.
  • the ers ⁇ th reference member 30 has the second transducer 20 ei ⁇ NEN predetermined first distance.
  • the second reference element 40 has the second transducer 20 a predetermined second distance and in particular a precisely known from ⁇ stand to the first reference element 30.
  • a first value Hl for the height H of the fluid surface O is determined via the bottom portion 3 of the fluid container 1.
  • Sound signals 22 is the main radiation direction in wesent ⁇ union perpendicular to the bottom portion 3 of the fluid container. 1 To determine the speed of sound, the latestsen ⁇ Deten second sound signals 22 are deflected such that they are substantially parallel to the bottom portion 3 on the two reference elements 30, 40 overall is directed in a second portion 22b. Further, parallel reflected second sound signals 24 are deflected in such a way in a second portion 24b to the bottom portion 3 is substantially that they are directed in a non-illustrated third section 24c in Wesentli ⁇ surfaces perpendicular to the second sound transducer 20th
  • the second sound ⁇ signals 22, 24 in addition to determining the speed of sound also used to determine the height H of the fluid surface 0, so that depending on one of the second sound signals 22, 24 second value H2 is determined for the height H of the fluid surface.
  • a first deflecting element 50 is arranged in the fluid space 5.
  • a second deflection element 60 is disposed in the fluid space 5.
  • the two deflecting elements 50, 60 close to the Bodenab ⁇ section 3 of the fluid container 1 each have a 45 ° angle, so that the sound signals 22, 24 respectively by the predetermined angle Wl, W2, by + 90 ° or -90 ° are deflected ,
  • the two deflection elements 50, 60 are formed, for example, depending ⁇ wells a piece of metal and have a high acoustic impedance relative to the acoustic impedance of the fluid F, so that a large part of the sound signals 22, 24 is reflected.
  • the deflecting elements 50, 60 are formed, for example, as a cavity, which is filled with air, for example. The latter has a low acoustic impedance relative to the fluid F in the fluid space 5, so that a large part of the sound signals 22, 24 is reflected.
  • the bottom portion of the fluid container 1 bulges, on which the deflecting elements 50, 60 lie on ⁇ or into which the deflecting elements 50, are integrated 60th
  • a program and data memory of the control ⁇ device a program is stored, which is explained in more detail below with reference to the flowchart of Figure 2.
  • the program is started in a step S1 in which, for example, variables are initialized.
  • a step S3 the first value Hl for the height H of the fluid surface 0 is determined and the second value H2 for the height H of the fluid surface 0 is determined.
  • a first signal power SL1 of the first reflected sound signals 14 and a second signal power ⁇ SL2 of the second reflected sound signals 24 are ⁇ it averages.
  • a signal quality SQ1 of the first reflected sound signals 14 determined and dependent on the second Sig ⁇ nalstreuung SSI of the second reflected sound signals 24 and the second signal power SL1 of the second reflected sound signals 24 determines a signal quality SQ1 of the second reflected ⁇ sound signals 24.
  • a step S the height H of the fluid surface 0 determined depending on the first signal quality SQ1 of the first reflected sound signals 14 and from ⁇ pending from the second signal quality SQ2 of the second reflectors ⁇ formatted sound signals 24 in the fluid container. 1 For example, this is done by weighting with the respective signal quality SQ1, SQ2 of the reflected signals 14, 24.
  • the height H of the fluid surface O of the fluid F in the fluid container 1 is determined analogously to the first exemplary embodiment from FIG. 1.
  • the second sound transducer 20 is attached to one side of the housing wall of the fluid container 1 ⁇ orders.
  • the orientation of the second transducer 20 includes with the first transducer 10 a 90 ° angle, so that transmitted second sound signals 22 of the second transducer 20 are directed onto the first deflection element 50 parallel to the bottom portion 3, while the ers ⁇ th sound signals 12 , 14 as in the first embodiment in Spread substantially perpendicular to the bottom portion 3.
  • Figure 4 shows a third embodiment, with two order ⁇ steering elements 50, 60 according to the first embodiment, but which are arranged so that acoustic paths of the two transducers 10, 20, as shown in the second embodiment intersect.
  • Such an arrangement results in a particularly compact design of the device, in which a mutual influence of the sound signals 12, 14, 22, 24 can be kept low.
  • the arrangement of the sound measurement ⁇ converter 10, 20 in the following embodiments of the fi gures 5 and 6 corresponds to that discussed in FIG. 4
  • the height H of the fluid surface O of the fluid F in the fluid container 1 is determined analogously to the first exemplary embodiment from FIG. 1.
  • a sound guide tube 70 is arranged in the fluid space 5, in order to be able to perform as precise a determination of the height H as possible.
  • the sound guide tube 70 is formed for example of the same plastic as the fluid container 1 and for mecha ⁇ African coupling to the fluid container 1, for example, plugged and / or locked with snap hooks.
  • the sound guide tube 70 is adapted to be the bottom portion 3 perpendicularly oriented third portion 22c of the transmitted second sound signals 22 toward the fluid surface 0, and the vertically aligned ers ⁇ th portion 24a of the light reflected at the fluid surface 0 second sound signals 24 toward the first Umlenkele- ment 50 along a longitudinal axis of the sound guide tube 70 to lead.
  • the height H of the fluid surface 0 is less than a length of the sound guide tube 70, that is, a level of the fluid surface 0 does not exceed the bottom portion 3 from ⁇ facing end of the sound guide tube 70, carries the sound guide tube 70 to a strong decoupling dynamics the fluid surface 0 within the sound transmission tube 70 to the dynamics of the fluid surface 0 outside the sound guide tube 70 at. Determining the height H is extremely reliable in this case, even with a highly dynamic fluid surface 0.
  • the reflected reference sound signals receives 24d, 24e may be assumed with a high probability, that the level of the fluid surface 0 at least the cut the Bodenab ⁇ 3 facing away from the end of the sound tube 70 exceeds ⁇ because the determination of the height H at lower heights H is extremely reliable.
  • the Flu- id F is a reducing agent
  • this is of particular Inte ⁇ ress, since an operation of a vehicle without a sufficient level of the reducing agent, so for example, in Un ⁇ drops below an predetermined height H, is not allowed.
  • an absolute gauge length of the height H of the fluid surface 0 is for example 500 mm or more, and there the fluid F at winter temperatures, for example, at below
  • -10 ° C can freeze and the fluid container 1 is exposed to, for example, strong vibrations, are requirements for ei ⁇ ne mechanical strength of the sound guide tube 70 be ⁇ particularly high.
  • a ratio of the length of the sound guide tube 70 to a diameter of the sound guide tube between 20: 1 and 2: 1 has been found to be advantageous he ⁇ .
  • the length of the Schallpar ⁇ approximately tube 70 is for example 60 mm.
  • Sound tube 70 is for example 10 mm, to determine the mechanical strength of the sound guide tube 70 securely ⁇ .
  • the height H of the fluid surface O of the fluid F in the fluid container 1 is determined analogously to the third exemplary embodiment from FIG. 4.
  • the sound guide tube 70 has a reflector 90 on its inner wall 80.
  • the reflector ⁇ tor 90 is, for example, from the same material as the deflecting element 50, 60 or the reference element 30, 40 out ⁇ forms and preferably disposed on the bottom portion 3 remote from the end of the sound guide tube 70, so that it to the bottom portion 3 a predetermined reference distance having.
  • the reflector 90 is, for example, fixedly coupled to the inner wall 80.
  • the predetermined reference distance can be variably adjusted, for example.
  • the second transducer 20 receives regardless of the dynamics of the fluid surface doo 0 a reflected on the reflector 90 sound ⁇ signal.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Höhe (H) einer Fluidoberflache (0) in einem Fluidbehälter (1), umfassend einen ersten Schallwandler (10) zum Senden und Empfangen von ersten Schallsignalen (12, 14) in Richtung der Fluidoberfläche (O), und einen zweiten Schallwandler (20) zum Senden und Empfangen von zweiten Schallsignalen (22, 24), ein Referenzelement (30, 40), das zu dem zweiten Schallwandler (20) einen vorgegeben Abstand aufweist und in einem Fluidraum (5) angeordnet ist, ein erstes Umlenkelement (50), das in dem Fluidraum (5) angeordnet ist zum Umlenken der zweiten Schallsignale (22, 24) um einen ersten vorgegebenen Winkel (W1) in Richtung der Fluidoberflache (O), wobei abhängig von den zweiten Schallsignalen (22, 24) eine Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Fluids (F) ermittelt und abhängig von den ersten Schallsignalen (12, 14), den zweiten Schallsignalen (22, 24) und der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids (F) die Höhe (H) über einem Bodenabschnitt (3) ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Höhe einer Flu- idoberfläche in einem Fluidbehälter
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein korrespondie¬ rendes Verfahren zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfla¬ che in einem Fluidbehälter. Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberflache in einem Flu¬ idbehälter kann insbesondere eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvor¬ richtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schall¬ empfänger arbeiten. Für eine Bestimmung der Höhe der Fluido- berfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwand¬ lers Schallimpulse in das zu vermessende Fluid abgegeben wer¬ den. Die Schallimpulse können von einer Grenzfläche des Flu¬ ids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse können Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter zu schaffen, die eine zuverlässige Be- Stimmung der Höhe der Fluidoberfläche ermöglicht, sowie ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluido- berfläche in einem Fluidbehälter. Die Vorrichtung umfasst ei- nen ersten Schallwandler zum Senden und Empfangen von ersten Schallsignalen in Richtung der Fluidoberfläche und einen zweiten Schallwandler zum Senden und Empfangen von zweiten Schallsignalen.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Referenzelement, das zu dem zweiten Schallwandler einen vorgegeben Abstand auf¬ weist. Das Referenzelement ist in einem Fluidraum des Fluid- behälters angeordnet .
Die Vorrichtung umfasst ferner ein erstes Umlenkelement, das in dem Fluidraum angeordnet ist zum Umlenken der zweiten
Schallsignale um einen ersten vorgegebenen Winkel in Richtung der Fluidoberflache .
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den zweiten Schallsignalen eine Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Fluids in dem Flu¬ idraum zu ermitteln. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausge¬ bildet, abhängig von den ersten Schallsignalen, den zweiten Schallsignalen und der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids die Höhe der Fluidoberfläche über einem Bodenabschnitt des Fluidbehälters zu ermitteln.
Eine derartige Anordnung der beiden Schallwandler ermöglicht ein präzises Bestimmen der Höhe bei hohen Füllständen sowie bei niedrigen Füllständen von beispielsweise weniger als
10 %. Das präzise Bestimmen der Höhe durch die beiden Schall¬ wandler erfolgt dabei beispielsweise unabhängig voneinander.
Der erste Schallwandler strahlt zu diesem Zweck direkt in Richtung der Fluidoberfläche . Eine Ermittlung der Schallge¬ schwindigkeit innerhalb des Fluids ermöglicht ein präzises Ermitteln einer Signallaufzeit. Um auch bei niedrigen Füll¬ ständen die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids ermit¬ teln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die zweiten Schallsignale in niedriger Höhe über dem Bodenab¬ schnitt des Fluidbehälters zu senden und zu empfangen. Der zweite Schallwandler dient somit primär zum Ermitteln der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids, und sekundär zur FüllStandmessung .
Insbesondere bei hohen Füllständen ist eine hindernisfreie, direkte Ausbreitung der ersten Schallsignale vorteilhaft, um einen Signalleistungsverlust gering zu halten. Dadurch wird ein besonders großer Messbereich ermöglicht. Ferner trägt das Umlenken der zweiten Schallsignale in Richtung der Fluido- berfläche dazu bei, dass eine zweite, redundante Messung der Höhe der Fluidoberfläche ermöglicht wird und so zu einer zu¬ verlässigen und präzisen Ermittlung beigetragen wird.
Das erste Umlenkelement ist beispielsweise aus Metall, Kera¬ mik oder Glas ausgebildet. Relativ zu dem Fluid in dem Fluid- behälter weist das erste Umlenkelement so eine hohe akusti¬ sche Impedanz auf. Somit wird eine zuverlässige Umlenkung der Schallsignale ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht dies bei¬ spielsweise eine robuste Anordnung des Umlenkelements als freistehendes Bauteil.
Alternativ ist das erste Umlenkelement beispielsweise als Hohlkörper ausgebildet. Im Falle, dass das erste Umlenkele¬ ment mit Luft gefüllt ist, wird in vorteilhafter Weise eine thermisch bedingte Ausdehnung des ersten Umlenkelements ver- ringert . Ferner reduzieren sich dadurch beispielsweise Mate¬ rialkosten und ein Gewicht der Vorrichtung. Relativ zu dem Fluid in dem Fluidbehälter weist das erste Umlenkelement so zudem eine niedrige akustische Impedanz auf. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine zuverlässige Umlenkung der Schall- Signale.
Der Bodenabschnitt des Fluidbehälters weist beispielsweise eine Ausbuchtung auf, mit der das erste Umlenkelement gekop¬ pelt ist. Die Ausbuchtung springt in den Fluidraum vor. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung des ersten Umlenkelements. In einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein zweites Umlenkelement in einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Umlenkelement in dem Fluidraum angeordnet zum Umlenken der zweiten Schallsignale um einen zweiten vorgegebenen Win- kel in Richtung des ersten Umlenkelements.
In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine Anordnung der beiden Schallwandler in gleicher Ausrichtung, beispielsweise in dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters , so dass nur mehr ein Montageschritt zur Fixierung der beiden Schallwandler vonnöten ist. Dadurch wird zu einer kostengünstigen und effi¬ zienten Herstellung der Vorrichtung beigetragen. Ferner ist es beispielsweise insbesondere bei Bauraumbeschränkungen vor¬ teilhaft, beide Schallwandler an dem Bodenabschnitt des Flu- idbehälters anzuordnen.
Die beiden Schallwandler sind beispielsweise als Piezowandler ausgebildet. Eine Montage der beiden Schallwandler ist bei¬ spielsweise durch deren geringe Größe zusätzlich erschwert. Die Anordnung der beiden Schallwandler an den Bodenabschnitt des Fluidbehälters trägt in vorteilhafterweise dazu bei, dass die Montage präzise und effizient erfolgt.
Der Bodenabschnitt des Fluidbehälters ist in diesem Zusammen- hang beispielsweise separat von Seitenwänden des Fluidbehäl¬ ters ausgebildet, was zusätzlich zu einer einfachen Montage der beiden Schallwandler beiträgt.
Das zweite Umlenkelement ist beispielsweise analog zu dem ersten Umlenkelement ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein Schallführungsrohr in dem Fluidraum angeordnet. Das
Schallführungsrohr ist zu einer Führung der durch das erste Umlenkelement umgelenkten zweiten Schallsignale entlang sei¬ ner Längsachse in Richtung der Fluidoberfläche ausgebildet. Das Schallführungsrohr ermöglicht eine zuverlässige Ermitt¬ lung der Höhe der Fluidoberflache, im Wesentlichen unabhängig von einer Dynamik der Fluidoberfläche . Beispielsweise durch Bewegung des Fluidbehälters oder durch eine Schrägstellung des Fluidbehälters weist die Fluidoberfläche eine besonders ausgeprägte Dynamik auf, die ohne eine Schallführung zu einer Streuung der Schallsignale oder einer anderweitig fehlerbe¬ hafteten Ermittlung der Höhe der Fluidoberfläche führen. In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt be¬ trägt eine Länge des Schallführungsrohrs zwischen 30 mm und 100 mm. Insbesondere beträgt die Länge des Schallführungs¬ rohrs zwischen 50 mm und 70 mm. Insbesondere beträgt die Län¬ ge des Schallführungsrohrs 60 mm.
Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs ermög¬ licht ein zuverlässiges und präzises Ermitteln der Höhe der Fluidoberfläche . Insbesondere ist die Länge des Schallfüh¬ rungsrohrs dabei geringer als die Höhe H der Fluidoberfläche . Die Länge des Schallführungsrohrs von mindestens 30 mm ermög¬ licht die Schallführung für geringe Höhen der Fluidoberflä¬ che, in denen ein präzises Ermitteln der Höhe besonders wich¬ tig ist. Ferner ist durch die Länge des Schallführungsrohrs von höchstens 100 mm eine mechanische Belastbarkeit des
Schallführungsrohrs sichergestellt. Da das Fluid beispiels¬ weise bei niedrigen Temperaturen einfriert ist die mechani¬ sche Belastbarkeit des Schallführungsrohrs von besonderer Wichtigkeit . In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt be¬ trägt ein Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 5 mm und 15 mm. Insbesondere beträgt der Durchmesser des Schall¬ führungsrohrs 10 mm. Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs ermög¬ licht ein zuverlässiges und präzises Ermitteln der Höhe der Fluidoberfläche . Der Durchmesser des Schallführungsrohrs von mindestens 5 mm ermöglicht eine zuverlässige Signaleinkopp¬ lung, insbesondere im Hinblick auf Montagetoleranzen, so dass eine Signaldämpfung gering gehalten wird. Ferner ist durch den Durchmesser des Schallführungsrohrs von höchstens 15 mm eine mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs si¬ chergestellt. Zudem ist so eine effektive Schallführung durch das Schallführungsrohr gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt be- trägt ein Verhältnis der Länge des Schallführungsrohrs zu dem Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 20:1 und 2:1. Insbesondere beträgt das Verhältnis zwischen 12:1 und 4:1. Insbesondere beträgt das Verhältnis 6:1. Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs trägt insbesondere zu der mechanischen Belastbarkeit des Schallfüh¬ rungsrohrs bei.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein Reflektor an einer Innenwandung des Schallführungsrohrs angeordnet. Der Reflektor weist zu dem Bodenabschnitt einen vorgegebenen Referenzabstand auf.
Der Reflektor ermöglicht eine Ermittlung einer Mindesthöhe der Fluidoberfläche .
Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die Höhe der Fluidoberfläche über dem Bodenabschnitt des Fluidbehäl- ters wird abhängig von einer Signalqualität der ersten
Schallsignale und der zweiten Schallsignale ermittelt.
Eine Gewichtung der beiden Schallsignale mit deren Signalqua¬ lität trägt in vorteilhafter Weise zu einer präzisen Ermitt- lung der Höhe der Fluidoberfläche bei. In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird die Signalqualität der ersten Schallsignale und der zweiten Schallsignale abhängig von einer jeweiligen Signalstreuung mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender aufgenommener Schall- Signale ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird die Signalqualität der ersten Schallsignale und der zweiten Schallsignale abhängig von einer jeweiligen Signal- leistung der aufgenommenen Schallsignale ermittelt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben der Vorrichtung,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu¬ idbehälter, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu¬ idbehälter,
Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu¬ idbehälter und
Figur 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu¬ idbehälter . Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren¬ übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Fluidbehälter 1 mit einem Bodenabschnitt 3 sowie einem Fluidraum 5, der mit einem Fluid F befüllt ist. Bei dem Fluid F handelt es sich beispielsweise um ein flüssi¬ ges Medium zur Schadstoffreduktion in Abgasen, das vorzugs¬ weise ein Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittel¬ vorläufer, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung auf- weist.
Zum Bestimmen einer Höhe H einer Fluidoberflache 0 in dem Fluidbehälter 1 sind an dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehäl- ters 1 ein erster Schallwandler 10, sowie ein zweiter Schall- wandler 20 angeordnet. Die Höhe H ist dabei definiert als ein Abstand der Fluidoberfläche 0 von dem Bodenabschnitt 3, ge¬ messen in einer Neutralstellung des Fluidbehälters 1, also wenn keine Schrägstellung des Fluidbehälters 1 vorliegt und die Fluidoberfläche 0 parallel zu dem Bodenabschnitt 3 ist. Die Höhe H kann auch als Füllstand des Fluidbehälters 1 be¬ zeichnet werden.
Die beiden Schallwandler 10, 20 sind beispielsweise als Pie- zowandler ausgebildet und durch eine Gehäusewandung des Flu- idbehälters 1 angekoppelt. Beispielsweise ist die Gehäu¬ sewandung aus einem Kunststoff ausgebildet, wie beispielswei¬ ses aus so genanntem hoch dichtem Polyethylen (high density Polyethylen, HDPE) , so dass der Bodenabschnitt 3 in der Ge¬ häusewandung eingeschweißt werden kann. Alternativ sind die beiden Schallwandler 10, 20 beispielsweise mit der Gehäuse¬ wandung verklebt oder mechanisch an diese gepresst, eventuell auch mit einer weiteren Zwischenschicht um Unebenheiten oder Rauigkeiten auszugleichen. Der erste Schallwandler 10 umfasst einen Sender, der erste
Schallsignale 12 in Richtung der Fluidoberfläche 0 aussendet. Der erste Schallwandler 10 ist dabei so ausgerichtet, dass eine Hauptstrahlungsrichtung der ausgesendeten ersten Schall¬ signale 12 senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 auf die Fluido¬ berflache 0 gerichtet ist. Der Fluidraum 5 oberhalb des Fluids F ist mit einem weiteren Medium wie beispielsweise Luft gefüllt, so dass die gesende¬ ten ersten Schallsignale 12 an einem Übergang der Fluido- berfläche 0 zu der Luft reflektieren und reflektierte erste Schallsignale 14 auf den ersten Schallwandler 10 treffen. Durch einen Empfänger des ersten Schallwandlers 10 werden die reflektierten ersten Schallsignale 14 aufgenommen. Beispiels¬ weise kann ein einzelnes Piezoelement als Sender und Empfän¬ ger eingesetzt werden. Die Ausrichtung des ersten Schallwand¬ lers 10 führt dabei ebenso zu einer im Wesentlichen senkrech- ten Ausbreitung der ersten reflektierten Schallsignale 14 zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1. Die Ausbreitung der ersten Schallsignale 12, 14 erfolgt direkt, so dass ein Leistungsabfall an Hindernissen verhindert wird und so ein Bestimmen von hohen Füllständen des Fluidbehälters 1 ermög- licht wird.
Zur präzisen Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 muss eine Signalausbreitungsgeschwindig¬ keit der ersten Schallsignale 12, 14 bekannt sein. Aus diesem Grund wird eine Referenzmessung mittels des zweiten Schall¬ wandlers 20 durchgeführt. Um diese Referenzmessung auch bei niedrigen Höhen H der Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 durchführen zu können, also beispielsweise bei Füllständen unter 10 % eines maximalen Füllstands, erfolgt eine
Schallausbreitung der zweiten Schallsignale 22, 24 nahe dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 im Wesentlichen paral¬ lel zu dem Bodenabschnitt 3. Analog zu dem ersten Schallwand¬ ler 10 umfasst der zweite Schallwandler 20 einen Sender, der zweite Schallsignale 22 aussendet und einen Empfänger, der reflektierte zweite Schallsignale 24 aufnimmt. In dem Fluidraum 5 sind ein erstes Referenzelement 30 sowie ein zweites Referenzelement 40 angeordnet. Die beiden Refe¬ renzelemente 30, 40 sind vorzugsweise aus einem Material ge¬ bildet, das ein Metall aufweist. Beispielsweise sind die bei- den Referenzelemente 30, 40 aus einem Metallstück ausgebildet und durch heißverstemmte KunstStoffnasen mit dem Bodenab¬ schnitt 3 des Fluidbehälters 1 gekoppelt.
Die beiden Referenzelemente 30, 40 reflektieren zumindest ei¬ nen Teil des ausgesendeten zweiten Schallsignals 22. Das ers¬ te Referenzelement 30 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 ei¬ nen vorgegebenen ersten Abstand. Das zweite Referenzelement 40 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 einen vorgegebenen zweiten Abstand und insbesondere einen genau bekannten Ab¬ stand zu dem ersten Referenzelement 30. Mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinheit wird eine Laufzeitdifferenz der reflektierten zweiten Schallsignale 24 abhängig von dem bekannten Abstand der beiden Referenzelemente 30, 40 zueinan¬ der ermittelt und abhängig von der Laufzeitdifferenz eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid F in dem Fluidbehälter 1 ermittelt. Beispielsweise wird zur Ermittlung der Laufzeit- differenz eine erste Signallaufzeit eines von dem ersten Re¬ ferenzelement 30 reflektierten Referenzschallsignals 24d und eine zweite Signallaufzeit eines von dem zweiten Referenzele¬ ment 40 reflektierten Referenzschallsignals 24e ermittelt.
Abhängig von der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids F und den ersten Schallsignalen 12, 14 wird ein erster Wert Hl für die Höhe H der Fluidoberfläche 0 über den Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 ermittelt.
In einem ersten Abschnitt 22a der ausgesendeten zweiten
Schallsignale 22 ist deren HauptStrahlungsrichtung im Wesent¬ lichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1. Zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit werden die ausgesen¬ deten zweiten Schallsignale 22 derart umgelenkt, dass sie in einem zweiten Abschnitt 22b im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3 auf die beiden Referenzelemente 30, 40 ge- richtet sind. Ferner werden in einem zweiten Abschnitt 24b zu dem Bodenabschnitt 3 im Wesentlichen parallele reflektierte zweite Schallsignale 24 derart umgelenkt, dass sie in einem nicht näher dargestellten dritten Abschnitt 24c im Wesentli¬ chen senkrecht auf den zweiten Schallwandler 20 gerichtet sind.
Um eine zuverlässige und präzise Ermittlung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 zu gewährleisten werden die zweiten Schall¬ signale 22, 24 neben der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ebenfalls zur Ermittlung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 verwendet, so dass abhängig von den zweiten Schallsignalen 22, 24 ein zweiter Wert H2 für die Höhe H der Fluidoberfläche ermittelt wird. Dazu werden die ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 wie¬ derum derart umgelenkt, dass sie in einem dritten Abschnitt 22c im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 auf die Fluidoberfläche 0 gerichtet sind. Ferner werden in einem ers¬ ten Abschnitt 24a zu dem Bodenabschnitt 3 im Wesentlichen senkrechte reflektierte Schallsignale 24 derart umgelenkt, dass diese in dem zweiten Abschnitt 24b der reflektierten Schallsignale 24 im Wesentlichen parallel zu dem Bodenab¬ schnitt 3 ausgerichtet sind. Um den zweiten Abschnitt 22b der ausgesendeten zweiten
Schallsignale 22 in Richtung der Fluidoberfläche 0 umzulenken und den ersten Abschnitt 24a der reflektierten zweiten
Schallsignale 24 umzulenken ist ein erstes Umlenkelement 50 in dem Fluidraum 5 angeordnet.
Ferner ist zur Umlenkung des ersten Abschnitts 22a der ausge¬ sendeten zweiten Schallsignale 22 in Richtung des ersten Um- lenkelements 50 und zur Umlenkung des zweiten Abschnitts 24b der zweiten reflektierten Schallsignale 24 in Richtung des zweiten Schallwandlers 20 ist in dem Fluidraum 5 ein zweites Umlenkelement 60 angeordnet.
Die beiden Umlenkelemente 50, 60 schließen mit dem Bodenab¬ schnitt 3 des Fluidbehälters 1 jeweils einen 45°-Winkel ein, so dass die Schallsignale 22, 24 jeweils um den vorgegebenen Winkel Wl, W2, um +90° beziehungsweise -90° umgelenkt werden.
Die beiden Umlenkelemente 50, 60 sind beispielsweise aus je¬ weils einem Metallstück ausgebildet und weisen eine hohe akustische Impedanz relativ zu der akustischen Impedanz des Fluids F auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird. Alternativ sind die Umlenkelemente 50, 60 beispielsweise als Hohlraum ausgebildet, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist. Dieser weist relativ zu dem Fluid F in dem Fluidraum 5 eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird.
Beispielsweise weist der Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 Ausbuchtungen auf, auf der die Umlenkelemente 50, 60 auf¬ liegen oder in die die Umlenkelemente 50, 60 integriert sind. Insbesondere in einem Programm- und Datenspeicher der Steuer¬ vorrichtung ist ein Programm gespeichert, das im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der Figur 2 näher erläutert wird.
Das Programm wird in einem Schritt Sl gestartet, in dem bei- spielsweise Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S3 werden der erste Wert Hl für die Höhe H der Fluidoberfläche 0 ermittelt und der zweite Wert H2 für die Höhe H der Fluidoberfläche 0 ermittelt.
In einem Schritt S5 werden eine erste Signalstreuung SSI der ersten reflektierten Schallsignale 14 und eine zweite Signal- Streuung SS2 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 er¬ mittelt .
In einem Schritt S7 werden eine erste Signalleistung SL1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und eine zweite Signal¬ leistung SL2 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 er¬ mittelt .
In einem Schritt S9 wird abhängig von der ersten Signalstreu- ung SSI der ersten reflektierten Schallsignale 14 und der ersten Signalleistung SL1 der ersten reflektierten Schallsig¬ nale 14 eine Signalqualität SQ1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 ermittelt und abhängig von der zweiten Sig¬ nalstreuung SSI der zweiten reflektierten Schallsignale 24 und der zweiten Signalleistung SL1 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 eine Signalqualität SQ1 der zweiten reflek¬ tierten Schallsignale 24 ermittelt.
In einem Schritt Sil wird abhängig von der ersten Signalqua- lität SQ1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und ab¬ hängig von der zweiten Signalqualität SQ2 der zweiten reflek¬ tierten Schallsignale 24 die Höhe H der Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 ermittelt. Beispielsweise erfolgt dies durch eine Gewichtung mit der jeweiligen Signalqualität SQ1, SQ2 der reflektierten Signale 14, 24.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 3) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1. In diesem Fall ist der zweite Schallwandler 20 an einer Seite der Gehäusewandung des Fluidbehälters 1 ange¬ ordnet. Die Ausrichtung des zweiten Schallwandlers 20 schließt mit dem ersten Schallwandler 10 einen 90°-Winkel ein, so dass ausgesendete zweite Schallsignale 22 des zweiten Schallwandlers 20 parallel zu dem Bodenabschnitt 3 auf das erste Umlenkelement 50 gerichtet sind, während sich die ers¬ ten Schallsignale 12, 14 wie im ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 ausbreiten. Dies hat den Vorteil, dass neben dem ersten Umlenkelement 50 kein weiteres Umlenkelement benötigt wird und die zweiten Schallsignale 22, 24 somit eine schwächere Dämpfung erfahren.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, mit zwei Um¬ lenkelementen 50, 60 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die jedoch so angeordnet sind, dass sich akustische Pfade der beiden Schallwandler 10, 20, wie in dem zweiten Ausführungs- beispiel dargestellt, kreuzen. Eine derartige Anordnung führt zu einer besonders kompakten Bauart der Vorrichtung, bei der eine gegenseitige Beeinflussung der Schallsignale 12, 14, 22, 24 gering gehalten werden kann. Die Anordnung der Schallmess¬ wandler 10, 20 in den folgenden Ausführungsbeispielen der Fi- guren 5 und 6 entspricht der in Figur 4 diskutierten.
In einem vierten Ausführungsbeispiel (Figur 5) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1. Um beispielsweise auch bei einer Schrägstellung des Fluidbehälters 1, oder einer durch Bewegung des Fluidbe- hälters 1 hervorgerufenen Welligkeit der Fluidoberfläche 0 eine möglichst präzise Bestimmung der Höhe H durchführen zu können ist ein Schallführungsrohr 70 in dem Fluidraum 5 ange- ordnet.
Das Schallführungsrohr 70 ist beispielsweise aus dem gleichen Kunststoff ausgebildet wie der Fluidbehälter 1 und zur mecha¬ nischen Kopplung an den Fluidbehälter 1 beispielsweise aufge- steckt und/oder mit Schnapphaken arretiert.
Das Schallführungsrohr 70 ist dazu ausgebildet, den zu dem Bodenabschnitt 3 senkrecht ausgerichteten dritten Abschnitt 22c der ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 in Richtung der Fluidoberfläche 0, und den senkrecht ausgerichteten ers¬ ten Abschnitt 24a der an der Fluidoberfläche 0 reflektierten zweiten Schallsignale 24 in Richtung des ersten Umlenkele- ments 50 entlang einer Längsachse des Schallführungsrohrs 70 zu führen.
Insbesondere im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberflache 0 geringer ist als eine Länge des Schallführungsrohrs 70, also ein Pegel der Fluidoberfläche 0 ein dem Bodenabschnitt 3 ab¬ gewandtes Ende des Schallführungsrohrs 70 nicht übersteigt, trägt das Schallführungsrohr 70 zu einer starken Entkopplung einer Dynamik der Fluidoberfläche 0 innerhalb des Schallfüh- rungsrohrs 70 zu der Dynamik der Fluidoberfläche 0 außerhalb des Schallführungsrohrs 70 bei. Das Bestimmen der Höhe H ist in diesem Fall auch bei stark dynamischer Fluidoberfläche 0 äußerst zuverlässig. Im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberfläche 0 größer ist als die Länge des Schallführungsrohrs 70, also der Pegel der Fluidoberfläche 0 das dem Bodenabschnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 übersteigt, empfängt bedingt durch die Dynamik der Fluidoberfläche 0 beispielsweise keiner der beiden Schallwandler 10, 20 ein Schallsignal 14, 24.
Falls jedoch eine Ermittlung der Schallgeschwindigkeit mög¬ lich ist, beispielsweise da der zweite Schallwandler 20 die reflektierten Referenzschallsignale 24d, 24e empfängt, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass der Pegel der Fluidoberfläche 0 zumindest das dem Bodenab¬ schnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 über¬ steigt, da das Bestimmen der Höhe H bei niedrigeren Höhen H äußerst zuverlässig ist. Insbesondere im Falle, dass das Flu- id F ein Reduktionsmittel ist, ist dies von besonderem Inte¬ resse, da ein Betrieb eines Fahrzeugs ohne ausreichendem Füllstand des Reduktionsmittels, also beispielsweise bei Un¬ terschreiten einer vorgegebenen Höhe H, nicht erlaubt ist. Der Betrieb des Fahrzeugs wird somit auch dann ermöglicht, wenn aufgrund von beispielsweise starker Schrägstellung des Fahrzeugs vorübergehend kein Bestimmen der Höhe H möglich ist . Da eine absolute Messlänge der Höhe H der Fluidoberflache 0 beispielsweite 500 mm oder mehr beträgt und da das Fluid F bei winterlichen Temperaturen, beispielsweise bei unter
-10 °C einfrieren kann und der Fluidbehälter 1 beispielsweise starken Vibrationen ausgesetzt ist, sind Anforderungen an ei¬ ne mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs 70 be¬ sonders hoch. In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere ein Verhältnis der Länge des Schallführungsrohrs 70 zu einem Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 20:1 und 2:1 als vorteilhaft er¬ wiesen . Da insbesondere bei niedrigen Höhen H der Fluidoberfläche 0 ein präzises Bestimmen der Höhe H der Fluidoberfläche 0 wich¬ tig ist, beispielsweise um einen niedrigen Füllstand recht¬ zeitig erkennen zu können, beträgt die Länge des Schallfüh¬ rungsrohrs 70 beispielsweise 60 mm. Der Durchmesser des
Schallführungsrohrs 70 beträgt beispielsweise 10 mm, um die mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs 70 sicher¬ zustellen .
In einem fünften Ausführungsbeispiel (Figur 6) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem dritten Ausführungsbeispiel aus Figur 4. In diesem Fall weist das Schallführungsrohr 70 an seiner Innenwandung 80 einen Reflektor 90 auf. Der Reflek¬ tor 90 ist beispielsweise aus dem gleichen Material wie das Umlenkelement 50, 60 oder dem Referenzelement 30, 40 ausge¬ bildet und bevorzugt an dem dem Bodenabschnitt 3 abgewandten Ende des Schallführungsrohrs 70 angeordnet, so dass er zu dem Bodenabschnitt 3 einen vorgegebenen Referenzabstand aufweist. Der Reflektor 90 ist beispielsweise fix gekoppelt mit der In- nenwandung 80. Alternativ ist der vorgegebene Referenzabstand beispielsweise variabel verstellbar. Im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberflache 0 größer ist als die Länge des Schallführungsrohrs 70, also der Pegel der Fluidoberflache 0 das dem Bodenabschnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 übersteigt, empfängt zumindest der zweite Schallwandler 20 unabhängig von der Dynamik der Flui- doberfläche 0 ein an dem Reflektor 90 reflektiertes Schall¬ signal. So wird eine sichere Aussage über eine Mindesthöhe der Fluidoberfläche 0 ermöglicht.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe (H) einer Fluido- berfläche (0) in einem Fluidbehälter (1), umfassend
- einen ersten Schallwandler (10) zum Senden und Empfan¬ gen von ersten Schallsignalen (12, 14) in Richtung der Fluidoberflache (0) , und einen zweiten Schallwandler (20) zum Senden und Empfangen von zweiten Schallsigna¬ len (22, 24),
- ein Referenzelement (30, 40), das zu dem zweiten
Schallwandler (20) einen vorgegeben Abstand aufweist und in einem Fluidraum (5) des Fluidbehälters (1) an¬ geordnet ist,
- ein erstes Umlenkelement (50), das in dem Fluidraum (5) angeordnet ist zum Umlenken der zweiten Schallsig¬ nale (22, 24) um einen ersten vorgegebenen Winkel (Wl) in Richtung der Fluidoberflache (0) , und
- eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den zweiten Schallsignalen (22, 24) eine Schallge¬ schwindigkeit innerhalb eines Fluids (F) in dem Flu¬ idraum (5) zu ermitteln und abhängig von den ersten Schallsignalen (12, 14), den zweiten Schallsignalen (22, 24) und der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids (F) die Höhe (H) der Fluidoberfläche (0) über einem Bodenabschnitt (3) des Fluidbehälters (1) zu er¬ mitteln .
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem zweiten Umlenk¬ element (60), das in einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Umlenkelement (50) in dem Fluidraum (5) angeord¬ net ist zum Umlenken der zweiten Schallsignale (22, 24) um einen zweiten vorgegebenen Winkel (W2) in Richtung des ersten Umlenkelements (50) .
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schallführungsrohr (70), das in dem Fluidraum (5) angeordnet ist und zu einer Führung der durch das erste Umlenkelement (50) umgelenkten zweiten Schallsignale (22, 24) entlang seiner Längsachse in Richtung der Flui- doberflache (0) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine Länge des Schallführungsrohrs (70) zwischen 30 mm und 100 mm, ins¬ besondere 60 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der ein Durch¬ messer des Schallführungsrohrs (70) zwischen 5 mm und 15 mm, insbesondere 10 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der ein Verhältnis der Länge des Schallführungsrohrs (70) zu dem Durchmesser des Schallführungsrohrs (70) zwischen 20:1 und 2:1, insbesondere 6:1 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, mit einem Reflektor (90), der an einer Innenwandung (80) des
Schallführungsrohrs (70) angeordnet ist und zu dem Bo¬ denabschnitt (3) einen vorgegebenen Referenzabstand auf¬ weist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Höhe (H) der Fluido- berfläche (0) über dem Bodenabschnitt (3) des Fluidbe- hälters (1) abhängig von einer Signalqualität der ersten Schallsignale (12, 14) und der zweiten Schallsignale (22, 24) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Signalqualität der ersten Schallsignale (12, 14) und der zweiten
Schallsignale (22, 24) abhängig von einer jeweiligen Signalstreuung mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender aufgenommener Schallsignale (14, 24) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Signalqua lität der ersten Schallsignale (12, 14) und der zweiten Schallsignale (22, 24) abhängig von einer jeweiligen Signalleistung der aufgenommenen Schallsignale (14, 24) ermittelt wird.
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